■郭林

四川華成輝宇建筑設(shè)計(jì)有限公司德陽分公司

基于性能的隔震設(shè)計(jì)理念最初由美國(guó)學(xué)者提出，并受到地震工程界的重視，大多國(guó)家都加大了對(duì)這一領(lǐng)域的研究，其中日本已在隔震設(shè)計(jì)新標(biāo)準(zhǔn)中運(yùn)用了基于性能的隔震設(shè)計(jì)理念。以性能為基礎(chǔ)的隔震設(shè)計(jì)是為保障設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)在地震災(zāi)害下仍能維持需要的性能水平，打破了傳統(tǒng)的以承載力為核心的隔震設(shè)計(jì)思想，是隔震設(shè)計(jì)方法的未來發(fā)展趨勢(shì)。

1 基于性能的隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)框架

以性能為主的抗震設(shè)計(jì)框架主要包含：隔震結(jié)構(gòu)性能水平以及性能目標(biāo)的確定、概念設(shè)計(jì)、按性能目標(biāo)合理設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、對(duì)設(shè)計(jì)成果進(jìn)行性能評(píng)估?；谛阅艿母粽鸾Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相比，區(qū)別在于基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)在于隔震層設(shè)計(jì)，對(duì)隔震結(jié)構(gòu)性能有直接影響。隔震結(jié)構(gòu)在外力作用下發(fā)生的位移主要聚集在隔震層[1]。因此，在對(duì)基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，除上述內(nèi)容外，還需注重隔震層設(shè)計(jì)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)評(píng)估等方面。采取以性能為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)隔震結(jié)構(gòu)時(shí)，隔震層設(shè)計(jì)、隔震結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)的確定、隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能水平評(píng)估是需要注重的技術(shù)問題。

2 基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)

隔震結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)指的是當(dāng)?shù)卣馂?zāi)害發(fā)生時(shí)，業(yè)主要求建筑物達(dá)到的隔震性能水平?；A(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的的設(shè)計(jì)要求一定程度上依賴建筑重要性和技術(shù)水平等，制動(dòng)合理的隔震結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)，是設(shè)計(jì)隔震基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的前提。如今，各界對(duì)建筑結(jié)構(gòu)可靠性提出了越來越高的要求。隔震技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展及應(yīng)用為建筑物可靠性的提高提供了基礎(chǔ)條件。隔震裝置可起到一定減震作用，通過該裝置的利用，能增強(qiáng)建筑物整體抗震性能和安全性。因此需借助基礎(chǔ)隔震技術(shù)，實(shí)現(xiàn)建筑抗震性能提高的目標(biāo)。另外，從建筑物性能及經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)，業(yè)主可制定高于標(biāo)準(zhǔn)要求的隔震性能目標(biāo)，這時(shí)需建筑師按業(yè)主要求和建筑行業(yè)規(guī)范來合理設(shè)計(jì)隔震結(jié)構(gòu)。

3 上部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

在實(shí)際結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，一般將隔震結(jié)構(gòu)劃分為上部結(jié)構(gòu)、隔震層、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)以及隔震層下部結(jié)構(gòu)等部分。上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需結(jié)合地震災(zāi)害與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)總結(jié)的設(shè)計(jì)原則，進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體布置并設(shè)計(jì)抗震措施。以性能為主的隔震設(shè)計(jì)研究理論中，加強(qiáng)了對(duì)上部設(shè)計(jì)概念設(shè)計(jì)的重視，主要是由于隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加重視在隔震結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)的前提下，針對(duì)不同的結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)，選擇恰當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)體系、結(jié)構(gòu)材料等，選擇結(jié)果將直接影響最終設(shè)計(jì)效果。上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求對(duì)隔震結(jié)構(gòu)整體方案、設(shè)計(jì)手段等進(jìn)行明確選擇，從而加強(qiáng)隔震結(jié)構(gòu)的抗震能力。

4 基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方式

以性能為核心的結(jié)構(gòu)隔震設(shè)計(jì)手段包括基于位移程度的設(shè)計(jì)方法、能力譜方法和基于位移的系數(shù)設(shè)計(jì)法等。其中按照位移情況的設(shè)計(jì)方法更加注重結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，而對(duì)隔震結(jié)構(gòu)的抗震能力沒有明確的評(píng)估方法；基于位移的系數(shù)設(shè)計(jì)法是利用相關(guān)參數(shù)求得隔震結(jié)構(gòu)目標(biāo)位移，再根據(jù)核算結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，這一設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用性還有待探討；能力譜方法相對(duì)來講更加注重結(jié)構(gòu)抗震性能的評(píng)估，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法上應(yīng)用效果不突出。本文在進(jìn)行隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，采取直接以位移為依據(jù)的設(shè)計(jì)方法。這一設(shè)計(jì)方法基本思路為：對(duì)于自由度較多的結(jié)構(gòu)體系，首先假設(shè)一個(gè)適當(dāng)?shù)奈灰颇Ｊ?，將原有結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)變?yōu)閱蝹€(gè)自由度體系，并確定等效阻尼比，結(jié)合等效阻尼比和目標(biāo)位移，可計(jì)算出等效周期，進(jìn)一步得到結(jié)構(gòu)的等效剛度，之后可進(jìn)行體系剛度設(shè)計(jì)以及承載力設(shè)計(jì)。剛度設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)有關(guān)，在對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸合理設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，確保結(jié)構(gòu)達(dá)到較高剛度。承載力設(shè)計(jì)指的是根據(jù)目標(biāo)位移以及等效剛度來獲得極限狀態(tài)下結(jié)構(gòu)受到的力，進(jìn)而進(jìn)行結(jié)構(gòu)配筋處理。為保證隔震結(jié)構(gòu)達(dá)到理想的位移能力，需將目標(biāo)位移與結(jié)構(gòu)各構(gòu)件變形需求結(jié)合起來，在關(guān)鍵部位進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)，促使構(gòu)件具備一定的變形能力。

依位移進(jìn)行基礎(chǔ)隔震設(shè)計(jì)步驟如下：上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在進(jìn)行上部結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)時(shí)，需確定結(jié)構(gòu)配筋布置、層高等，還應(yīng)對(duì)上部結(jié)構(gòu)質(zhì)量有所掌握，從而判定隔震層應(yīng)選擇的隔震設(shè)置；確定基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的層間位移以及隔震層位移。隔震層目標(biāo)位移需按照相關(guān)計(jì)算公式求得，主要與樓層位移、隔震層位移、結(jié)構(gòu)所受剪切力有關(guān)；在求得目標(biāo)位移后，可進(jìn)一步判定結(jié)構(gòu)等效質(zhì)量；確定結(jié)構(gòu)阻尼，通常將隔震層阻尼比作為抗震結(jié)構(gòu)阻尼比；在上述步驟完成后，還需判斷隔震結(jié)構(gòu)等效周期，結(jié)合結(jié)構(gòu)抗震性能要求和求解的阻尼比、目標(biāo)位移等，得到隔震結(jié)構(gòu)的振動(dòng)周期；判斷隔震結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)的剛度，對(duì)上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)隔震層剛度和阻尼比進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確定隔震裝置數(shù)量和類型。

5 隔震層設(shè)計(jì)

基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)核心便是隔震層設(shè)計(jì)，隔震層設(shè)計(jì)主要包括4步驟：根據(jù)隔震結(jié)構(gòu)抗震能力目標(biāo)判斷隔震層需要的附加阻尼比；結(jié)合位移情況來確定隔震層需要實(shí)現(xiàn)的剛度；按結(jié)構(gòu)類型、阻尼器類型和隔震支座類型等選擇恰當(dāng)?shù)母粽鹧b置。本文主要分析了利用隔震層剛度及阻尼比來設(shè)計(jì)隔震支座的設(shè)計(jì)方法。使鉛芯橡膠支座的水平剛度看作是雙線性，將天然橡膠支座水平剛度看作線性，以便簡(jiǎn)化后的分析過程。隔震層水平恢復(fù)力的特性主要與天然橡膠支座和的鉛芯橡膠支座有關(guān)，為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過程，可將隔離層水平力模擬成雙線性模型。

6 基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)分析

隔震結(jié)構(gòu)分布分析和傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析運(yùn)用原理相同，主要區(qū)別在于隔震結(jié)構(gòu)模型分析需考慮阻尼器和隔震支座對(duì)結(jié)構(gòu)性能的影響。其中阻尼器和隔震支座都體現(xiàn)出非線性特征，極大程度加大了隔震分析難度。針對(duì)此，相關(guān)學(xué)者提出了等效線性化的分析方法，即是將非線性問題轉(zhuǎn)變?yōu)榫€性問題。利用不同分析方法分析基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)時(shí)，阻尼器與隔震支座計(jì)算模型也有所不同。以性能為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)分析方法包括動(dòng)力非線性法、靜力非線性法以及能量分析法。靜力分析法指的是沿著結(jié)構(gòu)縱向施加模擬地震發(fā)生時(shí)的等效作用力，并逐漸增加施加力的強(qiáng)度，促使隔震結(jié)構(gòu)逐漸由彈性工作模式轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄怨ぷ髂Ｊ?，隨著力的不斷增加，最終將超過塑性位移。通過分析這個(gè)過程，可對(duì)隔震結(jié)構(gòu)性能有所了解。

結(jié)語

綜上所述，基礎(chǔ)隔震技術(shù)體現(xiàn)出原理簡(jiǎn)單、隔震效果顯著、成本低廉等優(yōu)勢(shì)，具有廣泛應(yīng)用前景。采取性能為主的隔震設(shè)計(jì)方法，能滿足業(yè)主提出的隔震性能要求，逐漸成為隔震設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)。

[1]言杰. 隔震層位置對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能的影響分析[D].河北工程大學(xué),2017.